玻璃強度的理論與計算

近年來，玻璃已在多個經濟部門得到廣泛應用。玻璃雖然有很多好的性能，但其脆弱是其主要缺點，影響了使用。因此研究玻璃的強度理論與提高玻璃強度便成為重要的課題。本文系綜述玻璃的理論強度和技術強度以及影響強度的因素和提高強度的方向。一、石英玻璃的理論強度玻璃的強度可分為理論強度、技術強度和實際強度。理論強度指分子之間的強度,研究理論強度的目的,在于探討提高強度的潛力與可能性。1921年,M.波拉涅(Polanji)根據玻璃的破壞功等于表面能的增加而計算出的玻璃的理論強度為1000～2000公斤/毫米。A.A.格來菲斯(Griffith)從玻璃表面存在微裂紋這一觀點,得出強度隨玻璃絲直徑的減少而提高,用外推法到玻璃絲直徑等于零時,就沒有缺陷存在,相當于分子之間的強度,以此所得1120公斤/毫米2,作為理論強度。E.U.康頓(Condon)從表面能和蒸發熱之間的關系出發,計算出理論強度為1120公斤/毫米2。奧魯凡(Orowon)得出理論強度等于0.2Ep,Ep為彈性模數實驗值,對一般玻璃來講,Ep-6000公斤/毫米2,理論強度為1200公斤/毫米2。以上理論強度的計算所得數值都在2000公斤/毫米2以下,根據那累-斯札波(I.-)所得,石英玻璃纖維的實際強度已達到2460公斤/毫米2,超過理論強度,說明計算是存在問題的。如格來菲斯的計算是從表面無缺陷這一概念出發的,沒有考慮到結構中的微觀缺陷的影響,所以計算的數值自然比分子之間的強度要低得多。1960年那累-斯札波等用莫里斯(Mores)方程式來計算石英玻璃的理論強度。他們從玻璃結構是無周期的網鍵這一點出發,近似地把[SiO4]看成假——雙原子分子SiO3—O,而采用莫里斯方程式:式中:U——勢能r6——Si—O之間平衡距離β——常數當拉伸的力量,使原子之間的距離超過平衡距離,鍵就被斷裂了;在斷裂點時,,原子之間距離為ri,此時拉伸的力Ft可用下式表示:已知Si—O鍵之間的平衡距離為1.60×10-8厘米。按Si4+與O2-之間的鍵力為庫侖(Coulomb)引力計算出[SiO4]四面體引力為17.32e2/r,而[SiO3]三角體引力為17.08e2/r,算出每個橋氧離子的引力為0.24e2/r,即:爾格。β常數根據海茲貝格(Herzberg)的計算為1.138×10-8(計算過程略去)。將D0與β的數值代入(2)式,求出F4=1.97×10-4達因,此值也就是單鍵的強度。已知單鍵強度后再乘以單位截面中鍵的數目即為理論強度。每平方厘米的截面中,含有氧離子數為,v為22.7×10-24(在石英玻璃中氧離子都是橋氧離子,不必再計算橋氧離子數)。故最后計算出石英玻璃的理論強度為:石英玻璃纖維實際測定強度為2460公斤/毫米2,那累-斯札波認為其計算比較符合實際。但石英玻璃纖維并不是沒有缺陷的,宏觀缺陷可以減少,而結構中的微觀缺陷是很難消除的,計算和實際測量十分接近,誤差僅為0.32%。在理論上分析,他們采用庫侖引力作為離解能,這是從石英晶體得來的,眾所周知,石英玻璃與石英晶體從結構上還是有區別的。1963年我們采用孫光漢計算的Si—O鍵之間的離解能106千卡/單鍵代入莫里斯方程式,計算出石英玻璃纖維的理論強度為7813公斤/毫米2。此數據大大高于實際強度,說明玻璃提高強度的潛力仍然很大。但仍存在一些問題,首先是莫里斯方程式是適用雙原子分子,我們與斯札波同樣設[SiO4]為SiO3—O假雙原子——分子。其次孫光漢的數據仍然是石英晶體的離解能,只是數據與根據庫侖引力不同而已;更主要的是目前還沒有能從實踐中證實,只能有待于今后的驗證。1968年第八屆國際玻璃會議中,斯札波又得出了他最后計算的結果為2508公斤/毫米2(3,570,000磅/英吋2),沒有討論溫度對強度的影響。至于他們為什么增加計算強度的數據,我們未見到原始文獻。其他一些研究者還計算了硅酸鹽平板玻璃的理論強度,在絕對零度(0°K)時為800公斤/毫米2(1,140,000磅/吋2),在300°K時為650公斤/毫米2(924,000磅/吋2)。技術強度即臨界強度,系基于玻璃表面有微小裂紋而引起強度的降低這一概念。格來菲斯認為,根據不同大小的裂紋需要不同的應力才能擴展,例如在平板上有一個橫穿直線裂紋,此裂紋為橢圓形,長為2C,張應力與裂紋垂直,則玻璃臨界強度Pm可用下式來表示:式中:E——彈性模數σ——表面張應力μ——泊松比(Posson’sratio)當裂紋不是橢圓形,而是圓形時,其半徑為C,則:如裂紋與張應力不是垂直,而是呈任意角度θ時,則臨界強度就采用下式:有些文獻中,假定裂紋長度為C,則以上各式,數據有些變化,但原則是不變的。當材料中不僅存在微裂紋而且還有微相(miorophase)時,可采用渡邊宗男(M.Watanabe)的計算式:σ——玻璃的瞬時強度式中:σ——玻璃的瞬時強度α——玻璃的表面張力(達因/厘米2)C——玻璃中存在的微相直徑k——常數;對一般玻璃來講,k近于1實際測定玻璃的強度,往往大大低于以上各式計算的強度,一般玻璃往往存在很多宏觀缺陷,造成強度的下降。工業玻璃的實際強度(抗張、抗折)為3～10公斤/毫米2,為理論強度的。二、玻璃結構的缺陷引起的原因影響玻璃強度的因素很多,歸納起來有以下幾個方面:1)結構本身的強度2)微觀和宏觀的缺陷3)外界的條件(溫度、活性介質,疲勞等)。玻璃結構本身的強度以及微觀和宏觀的缺陷是內因,溫度等是外因。內因是起決定性作用的,但外因也能引起內因的變化。下面我們就詳細討論各項因素的影響:1.兩價金屬氧化物對糖酸鈉鍵強的影響指結構鍵的強度及單位體積內鍵的數目。在外力作用于玻璃結構單元時,只要此外力超過一定數值;結構單元即斷裂。因此,玻璃的理論強度,應決定于每個結構單元與鄰近結合鍵力的大小,并乘以單面截面上鍵的數目。對于硅酸鹽玻璃來講,有橋氧離子與非橋氧離子,兩者之間鍵強是不同的。就非橋氧離子來講,堿土金屬和堿金屬的鍵強也是不一樣的。石英玻璃都是橋氧離子,≡Si—O—Si≡鍵是最強的,所以機械強度較高。加入兩價金屬氧化物以后,除了橋氧離子外,還有非橋氧離子,如≡Si—O—R—O—的鍵強就較≡Si—O—Si≡為差,故強度也差。加入一價金屬氧化物,引起部分硅氧鍵的斷裂,如≡Si—O—R的強度更差。除了鍵強以外,還應該考慮單位體積內的鍵數,也即與結構網的稀密有關,結構網稀,強度也低。結構鍵的性質,在其他條件相同下,是由化學組成(化學)決定的。各種不同成分類型的硅酸鹽玻璃結構骨架如下:2.玻璃的微不均勻性葉爾馬林柯(Н.Н.Ермеленко)曾提出一個理想玻璃的概念,而認為理想玻璃是均勻的立體的無規則的網,玻璃所有的元素都參加了結構網的形成。而實際玻璃并不是理想的,含有網絡缺陷,有位錯和“點缺陷”,“點缺陷”可以表現氧離子的空穴(在應有氧離子的地方缺少)或氧離子填隙(多加氧離子)。通過電子顯微鏡和玻璃斷裂面的觀察,證實在玻璃中存在微相與微不均勻的單元(Miorcell),不同種類玻璃的微不均勻單元的大小如下:在熱處理后,微相直徑大小有所增加,而技術強度是與微相大小開方成反比,微相增加則強度降低。微相的組成,根據電子顯微鏡觀察,在硅酸鹽玻璃中嵌著200高SiO2區域。結構中微晶的存在對強度也有影響。纖維經處理后,表面生成微晶,強度因而降低,玻璃的脆性與微晶之間有直接關系。快速拉制的玻璃纖維,冷卻最快,多相性最小,因而強度較高。玻璃纖維在拉絲口進行強制冷卻,強度增高,也是這個原因。玻璃結構中還存在聚集群,如含BaO8%%的硼硅酸鹽玻璃,由X射線衍射證明有集中頗大的鋇離子聚集群,也造成不均一性。結構的微不均勻性,降低了玻璃的強度。結構中網絡的缺陷,如位錯會移動堆積,在交界面(相面)上形成裂紋核。在微相與微相之間結合力比較薄弱,在微相與均勻玻璃相之間,因成分不均,膨脹不一致,產生應力,造成強度的下降。3.曲鏈階段si—結構的聚合程度達拉索夫曾提出玻璃是一個聚合物的概念。以后的研究又指出玻璃是通過≡Si—O—Si≡鍵的共價部分而聚合的,四面體的共價Sp3雜化鍵最有彈性,不僅鍵的距離可以變化,而且鍵角也可變化?！許i—O—Si≡型的鍵,是一波形函數結構,類似于絞鏈。、玻璃聚合是曲鏈分支網狀聚合物,比有機聚合物結構更有規律,在很小的荷重下易于變形,而變形之后部分又易于還原,所以像其他有機聚合物一樣有高彈性(Эластичность)。玻璃在Tg～Tf之間,會出現與低溫情況下不同的高彈性變形,這種高彈性變形像聚合物一樣,能超過低彈性(Упругость)變形的100～1000倍。淬火玻璃(鋼化玻璃)是將玻璃加熱到Tg～Tf之間,除了因形成均勻的有規則的應力外,結構也進行聚合,急冷時凍結了Tg～Tf之間聚合結構,有高彈性形變,可以彎曲到一定程度而不斷裂。4.強度p與拉伸程度的關系在高速拉制的纖維中,玻璃產生不可逆的粘滯變形,在纖維橫截面上的缺陷降低。強度P與拉伸程度α有下列關系:式中:A、B——均為常數還有人認為拉伸過程中,沿著纖維軸,強鍵定向,也是纖維強度高的原因,但也有人反對,指出偏磷酸鈉雖然有鏈狀結構,但強度很低。我們認為一般玻璃都是網狀結構,定向影響很小。5.不允許忽略宏觀缺陷如結晶夾雜物、氣體夾雜物、化學不均勻等是不允許忽視的。在宏觀缺陷的地方,常常因成分與玻璃主體不一致而造成內應力,同微觀缺陷常常在宏觀缺陷的地方集中,因而形成裂紋,嚴重影響了玻璃的強度。6.格來菲斯裂紋是一個非織造材料,引起纖維原料的破裂格來菲斯認為玻璃表面具有微裂紋(其他一些晶體與陶瓷材料也有),破壞時即在表面微裂紋開始,然后裂紋逐漸擴展,導致整個試樣破裂。微裂紋并不是分子大小,而是在顯微鏡下可見的,實際是一種宏觀的缺陷。根據鈉蒸汽處理試樣觀察到裂紋深為5微米。平板玻璃表面有寬100～200,深度不小于1000的裂紋。我們用鈉蒸汽侵蝕法也觀察到平板與纖維上微裂紋的存在。但有些人認為鈉蒸汽侵蝕的結果是人造的,是不真實的。用離子交換法也觀察到格來菲斯裂紋的存在,為了除去表面擦傷,首先用氫氟酸侵蝕去表面5～10微米的深度,然后用LiNO3與KNO3的共熔物進行離子交換,由于Li+代替了玻璃中的Na+,表面層收縮,使微裂紋顯露。裂紋還可用化學處理來觀察。我們認為微裂紋還是存在的,所以玻璃的抗張、抗折強度要比抗壓強度低。通過實驗,很多人都發現玻璃試樣直徑愈細,長度愈短,則強度愈高,并指出其原因是微裂紋幾率的減少。有人用數學方法計算了強度與受力面積的關系,得出了破裂的統計理論,亦即尺寸效應,試樣面積愈小,則裂紋數愈少,強度因而提高,但在很細的纖維中,強度增加很大,不僅由于表面裂紋的減少,而且還因為拉制過程中裂紋的定向。尺寸效應近年來得到了否定,實踐證明,纖維強度不取決于直徑,同時還制造了高強度的玻璃棒,直徑8毫米的玻璃棒強度達到500,000磅/吋2(351.55公斤/毫米2),并不單是纖維才有高強度。但在生產實踐中,還是有一定裂紋密度的,尺寸效應的影響還是存在的,但影響是較小的。關于格來菲斯裂紋產生的原因,有人認為是機械損傷,有人認為是自發生成的。我們認為還是由微觀缺陷引起的,不能說是機械損傷,因為用氫氟酸侵蝕去磨損的表面后,用離子交換法仍然可以觀察到裂紋的存在。7.應力集中值表面的擦傷與磨損,對強度有很大的影響。傷愈大愈尖銳,愈使強度降低。如張力σ與傷痕垂直,應力集中值σm可用下式表示:R為傷痕的曲率半徑,傷痕長為2C。如剛制造出的瓶子沖擊內壓強度為100的話,輕微劃傷的瓶子則為30,用砂紙劃傷的輕傷瓶降低到10,用金剛石劃傷的瓶子只有8。纖維如存在微磨損,會使強度降低。8.活性介質對強度的影響活性介質對玻璃表面有兩個作用,第一個作用是滲透在裂紋中,使裂紋擴展。第二個作用是與玻璃起化學作用,使結構破壞,受應力作用的Si—O鍵會發生水解。在沒有活性介質作用下,硅酸鹽玻璃的脆性破壞是可逆的,加負荷時裂紋擴展,當去掉負荷以后,擴展即停止。有活性介質存在,且加負荷速度很慢,則活性介質滲透在裂紋中,阻止了裂紋的愈合,所以強度就降低了。如果加負荷速度很快,試樣破壞速度大于活性介質分子在裂紋內的滲透速度,則對強度的影響很小。活性介質的作用與試樣表面積的大小有關,活性介質對大塊制品強度的影響不如對纖維影響大,纖維在不同溫度貯存后,強度有所降低,如在100%濕度下貯存128天,斷裂強度為原始強度的71.4%。玻璃的化學穩定性好,則活性介質的影響就小,如硼硅酸鹽無堿纖維比中堿或高堿纖維在濕氣中貯存后,強度要高。活性介質指極性物質如水、酸、堿及某些鹽類等。干燥的空氣、非極性介質(如煤油)、疏水性有機硅等對強度影響小。所以測定強度最好在真空中或液態氮中進行,以免活性介質的影響。9.度的下降:“低溫與高溫對玻璃強度的影響是不同的。在近絕對零度(-273℃附近)到攝氏零度,強度隨溫度的上升而下降。此時由于溫度的升高,裂紋端部分子的熱起伏現象增加,積聚能量使鍵斷裂,因而破裂的幾率增加,在200℃達到強度最低值。高溫時,普通玻璃的強度隨溫度的改變影響很小,對于纖維(新拉出的纖維)則隨溫度的升高,強度顯著下降,主要是因為多相性的增加而造成的。10.降低強度和殘余應力眾所周知,玻璃中的殘余應力,特別是分布不均勻、無規則的殘余應力,使強度大為降低。如垂直引上的1.9～2.4毫米玻璃,當玻璃中的殘余應力為7.1毫微米/厘米時,其強度為5.36公斤/毫米2,而殘余應力為10.5毫微米/厘米時,則強度降低到4.88公斤/毫米2。實驗證明,殘余應力增加到1.5～2倍時,抗彎強度降低9～12%。玻璃進行淬火(鋼化)后,使玻璃表面存在壓應力,內部存在張應力,而且是有規則的分布的,則玻璃強度可以提高,其強度σm可用下列經驗式計算:式中:σm——淬火(鋼化)玻璃的強度(公斤/厘米2)σo——退火玻璃單純橫向彎曲強度(公斤/厘米2)B——光學常數(厘米2/公斤)11.玻璃的靜疲勞特性在靜止負荷和動負荷(負荷大小、方向和速度是變化的,如沖擊)作用下,玻璃強度是不同的。因玻璃具有脆性、抗張強度遠遠低于抗壓強度,抗沖擊強度也低,沖擊時產生應力集中,對于脆性材料來講是最危險的。當負荷小于臨界負荷時,玻璃的破壞時間隨負荷的減小而增加,但強度卻降低,這就是玻璃的疲勞。如器皿玻璃和石英玻璃棒在負荷1分鐘或1分鐘以內,強度隨負荷時間的增加而降低,但在更長的時間內,強度的降低值逐漸減少。玻璃的靜疲勞表現出長時間能承受一恒定張力負荷而無影響,然后突然破裂。作壓力容器(汽水瓶、啤酒瓶)時,也能因疲勞而產生自爆。壓力保持時間為1秒,內壓強度比為1.34;1分鐘降低1.0;1小時為0.8;1個月為0.6;壓力保持時間為1年,內壓強度比僅為0.55。玻璃因疲勞而強度降低,是由于裂紋在受力以后的擴展,同時還由于水份等活性介質在裂紋中使裂紋進一步擴展。但近來年發現玻璃氣泡表面在常溫下也有靜疲勞現象,氣泡中沒有水份,上述原因不能解釋;我們認為這是由于在氣泡附近應力集中而引起的疲勞。以上討論的影響強度的因素中,對目前工業與日用玻璃來講,微觀和宏觀缺陷是引起強度降低的主要原因,是主要矛盾。因為一般玻璃很少因為結構鍵的強度不夠而產生破裂,理論強度的數值還是很高,超過了使用的要求,常因成分不均勻、氣泡、條紋、結石、瘤子、微裂紋等宏觀缺陷造成局部應力集中而破裂。在微觀缺陷和宏觀缺陷一對矛盾中,宏觀缺陷是矛盾的主要方面,但兩者也是有聯系的,有些宏觀缺陷,往往是由微觀缺陷造成的。對于高強度的特種玻璃,由于工藝條件的嚴格控制,缺陷很少,則結構的因素就起很重要的作用,研究理論強度計算的目的,就在于探討還有多少潛力可挖,以便采用相應的措施。三、強度的提高根據強度和結構的關系及其他影響強度的因素,即可達到提高強度的目的。1.選擇合適的離子網狀形成物比例要多,且網狀形成物和調整物電荷高,離子半徑要小,使結構緊密。有些高價離子如Ti4+、Zr4+等,起積聚作用,也有利于提高強度,如SiO2—Al2O3—TiO2—ZrO2—CaO-MgO系統等。石英玻璃,無堿玻璃強度都是較高的,如SiO2-Al2O3—MgO纖維,強度可達370～400公斤/毫米2。2.si2—提高玻璃的彈性模數根據理論強度σm=0.2～0.5Ep(彈性模數實驗值),所以提高彈性模數即可提高強度。用一般方法提高彈性模數的數值有限。采用高、低彈性模數相配合的方法,把高彈性模數成分與低彈性模數成分相配合,如以高彈性模數的Al2O3代SiO2,低彈性模數CaO為改良劑。因單獨Al2O3不能作形成劑,故再引入SnO2,起穩定作用,使Al2O3形成[AlO4]四面體,其成分范圍為:Al2O340～50%、CaO35～40%、SnO25～20%,用此成分拉制的纖維其彈性模數可達1.12×106公斤/厘米2(而普通玻璃纖維為0.7～0.84×106公斤/厘米2)。用TiO2、ZrO2及BeO代替Al2O3,特別是用BeO代Al2O3,效果較好,但此類成分如YM31A纖維,因BeO有毒,且密度大,不適于作航空材料,近于淘汰。以后研制的SiO2—Al2O3—MgO—TiO2纖維,彈性模數達10500公斤/毫米2。還有用Cu2O來改進成分與強度的,制成的SiO2—Al2O3—MgO—Cu2O-ZrO2玻璃纖維,彈性模數達10100公斤/毫米2。以SiO2—Al2O3—MgO—La2O3為基礎,加入CeO2、Y2O3的玻璃纖維,彈性模數可達到11550公斤/毫米2。3.亞硫酸鎘分子的熱裂解在玻璃成分中加入亞硫酸鎘,因其具有與有機分子相類似的共價鍵,二次加熱,通過亞硫酸鎘分子可使玻璃聚合,用不同的熱處理制度,即可得到不同尺寸的聚合體,以提高玻璃的強度。4.防止各種微相、結構的正常順序、可見和不可見的結晶作用采用結晶傾向小的成分,快速冷卻和加壓冷卻或采用γ射線處理,以防止玻璃中產生微觀多相、結構正序、可見與不可見的結晶作用。5.不銹鋼的熱處理以超高溫熔化,得到均勻的接近于理想的玻璃,則強度可提高,不少研究者都證實高溫熔化時玻璃的強度比低溫要高。在熔化時先采用真空處理,以去除玻璃中溶解的氣體和蒸汽,然后加壓處理(幾個大氣壓與幾十個大氣壓下處理)以防止微晶、多相轉變、微觀分層等。實驗證實了超高壓可使結構緊密,如石英玻璃在150千巴壓力下,由于結構重新排列而緊密,也可增加強度。6.用超聲波結構連接材料用連續的強聲波或超聲波在200～300℃下作用于慢冷的玻璃,使結構聚合。7.速度拉伸試驗把玻璃棒在電爐中加熱,沿棒的中心,以0.0001～0.0003厘米/秒的速度拉伸,拉伸后急速冷卻,拉伸程度愈大,強度愈高。平板玻璃也可用拉伸法提高強度。8.和sc、離子半徑如玻璃中的鈣(Ca)受中子照射后,產生鈦(Ti)和鈧(Sc)、離子半徑由Ca的1.06,減低到So的0.64,因而使結構緊密。捷克試驗用熱中子照射玻璃后,強度增加,各種玻璃零件都可用此法處理。9.網狀結構的擴散將垂直引上法的窗玻璃用γ射線照射,強度增加,試驗者推測這是由于網狀調整物離子的擴散,占滿結構中的缺陷。但必須選擇合適的γ射線劑量,太低不起作用,太大造成輻射損傷,甚至破裂。10.加熱加熱成型淬火是大家所熟悉的,除了用空氣做淬冷介質外,還可以采用油(機油、變壓器油等)、熔鹽(如硝酸鉀)、低熔點金屬與合金(如伍德合金等)。薄平板玻璃(3毫米以下)用空氣鋼化效果不好,我們采用的是20號機油或15號機油加熱到150℃左右。器皿、瓶罐等可在成型后立即投入加熱到150℃的機油中。熔鹽(硝酸鉀)既可作離子交換,也可以作淬冷介質。低熔點金屬與合金作鋼化介質,可以得到很大的淬火度,但我們發現工藝制度不易掌握,往往淬火時破損很大。有機硅(硅油等)也可作淬冷介質,但成本高,且易揮發,但可得到抗折強度70～80公斤/毫米2的玻璃。淬火玻璃的缺點是“自爆”問題,其原因很多,很難完全防止。我們認為只有在出廠前采用熱沖擊法檢驗,將冷卻的成品迅速放入加熱到670℃的電爐中保持45秒鐘,有缺陷的產品即在此“自爆”,避免出廠后造成損失。11.用離子交換制造玻璃離子交換有兩種:一種是以半徑大的離子交換玻璃中半徑小的離子,如K+代Na+,使玻璃表面產生壓應力,達到鋼化目的。此法的特點是處理溫度低(如用KNO3熔鹽處理溫度在380℃左右),時間長(幾個小時到幾十小時)。處理后強度可達80公斤/毫米2,玻璃表面不失去光滑性,尺寸不會變化。用此方法可制造航空玻璃的觀察窗。第二種是通過離子交換法在玻璃表面形成膨脹系數比玻璃基體小的薄層,當冷卻時便因表面與基體收縮不一致,在表面形成壓應力。如用Na2O—Al2O3—SiO2玻璃在850℃下放在Li2SO4為主的熔鹽中,Li+與玻璃中Na+交換,在表面形成線膨脹系數很小的β鋰霞石(Li2OAl2O3·2SiO2),冷卻時造成壓應力,使強度提高,可達到40～60公斤/毫米2。此法交換時間短(幾十分鐘即可),硬度高,不易磨損,長時間使用,強度不會下降,厚2.5毫米的玻璃可彎曲成S形不損壞,商品名稱Chemcor。此玻璃可作噴氣飛機與汽車風擋玻璃,宇宙飛船觀察窗的內層玻璃以及防彈玻璃。除了上述兩種方法,還有以銅鹵素化合物的蒸汽在600℃左右與玻璃進行離子交換的方法,以銅交換堿來提高強度。化學鋼化是通過化學處理以改變制品的表面組成及狀態,其強度可高達每平方吋100,000磅。12.回收瓶啤酒瓶、汽水瓶玻璃纖維表面積大,在制造和貯存過程中,防止表面微磨損及活性介質作用有很重要的意義?；厥掌?啤酒瓶、汽水瓶)在多年使用中,微磨損及活性介質作用可使強度降低,經7年使用,強度降低50%。在食品廠裝瓶生產線上與運輸過程中,減少微磨損及活性介質作用(貯存于干燥之處)還是有作用的。13.基礎玻璃膨脹系數小的處理在玻璃表面涂上一層低膨脹系數玻璃,冷卻時表面收縮,形成壓應力層,也可提高強度。但表面涂層玻璃與基礎玻璃膨脹系數不宜相差過大,以免開裂。也可在玻璃表面上涂低熔點玻璃涂層,消除表面裂紋提高強度。玻璃纖維太細,冷卻速度太快,無法用普通方法淬火,因此,也用此法在硼硅酸鹽玻璃表面包復一層高硅氧玻璃,使強度增加了140公斤/毫米2。14.玻璃酸處理后強度也稱酸洗法,通過酸侵蝕,除去表面裂紋層,或使裂紋形狀變鈍,減少應力集中。通常用氫氟酸并加入一定量的硫酸,侵蝕深度不應超過0.1毫米,經過酸洗,強度可提高3～4倍,最高可提高10～14倍。無色瓶罐經酸洗后,破壞強度由240公斤提高到360公斤,玻璃管原抗折強度15公斤/毫米2,經過酸處理可提高到60公斤/毫米2。粗纖維處理后強度可增加3倍,細纖維(5～7μ)強度增加25～30%。平板玻璃酸處理后,抗折強度可達50～60公斤/毫米2,可彎曲成U形不破裂。酸洗后的表面還有可能再因磨損產生新的裂紋,必須立即施加有機硅涂層,才能繼續保持高強度。酸洗法的缺點是工藝條件不易控制,處理不當會產生表面不光滑,同時會產生污染。15.抗拉壓彈性介質在有機硅等3.表面有機涂層有多種類型:有機硅、樹脂、塑料等。有機硅使玻璃表面形成有機聚硅氧烷憎水膜,并通過公用硅氧鍵而與玻璃表面聯接起來。高溫下,有機基團除去而剩下硅氧膜,此硅氧膜填充于裂紋中,而使裂紋愈合,同時還有憎水性,因而可避免活性介質在裂紋中的擴展。常用的有機硅有二乙基二氯硅烷(C2H5)2SiCl2、苯基三氯硅烷C6H5SiCl3、聚硅烷、硅酮等。厚3～6毫米的平板玻璃采用二乙基二氯硅烷處理后,抗彎曲強度可從5.1公斤/毫米2提高到22公斤/毫米2。樹脂涂層有采用環氧樹脂外加不同染料和色料來涂布瓶罐的,可以吸收紫外線,抗磨損能大為提高,完全可以滿足高速裝瓶作業線的要求。在瓶罐外面涂聚氯乙烯,抗壓強度提高30%、抗沖擊強度提高40%;涂聚乙烯的抗壓強度提高5%,抗沖擊強度提高70%。16.薄膜耐壓強度表面無機涂層有鈦、鋯、錫、釩等化合物,常用的是Sn2+、Sn4+與Ti的無機化合物涂層。生產中已實際采用的四氯化钖(SnCl4),分解后成二氧化钖(SnO2)的薄膜,使玻璃的化學穩定性及機械強度均有所提高。瓶罐減重20～30%,涂以SnCl4薄層,抗壓強度還可提高49%。玻璃瓶罐成型后也可用四氯化碳(CCl4)噴涂,然后送入退火爐,由于CCl4使玻璃中鈉離子由表面析出,留下了富SiO2層,使耐內壓強度大為提高。除了采用Sn與Ti的氯化物外,也可采用有機物如油酸亞钖、硬脂酸亞钖、軟脂酸亞钖等。日本已生產了增強涂層二氯二甲基钖(CH3)2SnCl2,商品名稱Glahard,并在市場上出售。17.涂上金屬層玻璃纖維從拉絲噴嘴拉出,通過Cu、Zn、Pb、Sn、Al、Ag、Ti熔融金屬槽,涂上金屬層。也可分兩個步驟,先涂低熔點中間層,纖維經過Sn、Bi、Cd、Pb、Zn、In、Sb、Mg、Al等熔融鹽的槽,然后以此為陰極,再以電解法、真空蒸發涂上耐磨的不銹鋼、Cu、Fe、鉻合金、Cd、In、Ni等,可增加強度與耐磨性。18.平板玻璃用引上法處理在玻璃表面采用多種處理方法,以得到比一種表面處理方法更優良的性能,稱為表面綜合處理,有下列幾種類型:玻璃先加熱到軟化溫度,然后再在空氣中冷卻,最后在20%氫氟酸中處理,侵蝕層深0.1毫米。3毫米到5毫米的平板玻璃用引上法處理,強度可達到100～150公斤/毫米2。平板玻璃先淬火,然后用氫氟酸和硫酸混合液洗去裂紋,最后再用變壓器油脫水,這樣可達到最大的強度。酸洗時必須注意侵蝕深度不能超過玻璃淬火時表面應力層深度,如果酸洗時把表面應力層侵蝕掉,就會影響強度的提高。玻璃瓶罐先在表面噴SnCl4,然后再用0.07%聚氯乙烯和蠟或石蠟混合液噴涂表面,強度顯著提高,且經過幾個月流通使用后其強度仍比未處理的高。玻璃管先涂上一層塑料,然后塑料涂層外再噴上一層鐵——鎳合金便得到高強度抗磨損的玻璃管。當采用錫或鈦的有機化合物對熱態玻璃制品進行噴涂增強的技術后,可提高玻璃制品的機械強度及抗磨擦特性,抗沖擊強度提高近一倍。19.通過對玻璃進行改性來提高強度復合材料是材料發展的方向,具有一系列的優越性能,夾絲(嵌絲)玻璃即是較早的復合材料,1932年開始研制了玻璃纖維增強塑料(玻璃鋼),近年來得到很大發展,其強度(強度與密度的比值)很高,比合金鋼高1.7倍,比鋁高1.5倍,比鈦鋼高1倍。除了纖維增強塑料外,還有玻璃薄片增強塑料(薄片玻璃鋼),玻璃細珠增強塑料與用空心玻璃細珠增強塑料(Syntacticfoam)。夾層玻璃是大家所熟悉的,近年除了用平板玻璃制造外,還應用了鋼化玻璃與化學鋼化玻璃。HPR是近年來迅速推廣的汽車風擋玻璃,外層是普通玻璃,中間是一層塑料層,內層是化學鋼化玻璃,5磅球的擊穿高度達6米。波音747超音速噴氣客機的風擋玻璃,其外層是2.2毫米厚的化學鋼化玻璃,中間為兩片長鏈丙烯,內層為3.2毫米厚的耐磨聚酯樹脂,用聚乙烯醇縮丁醛膠合而成。用兩片2.8毫米厚的微晶玻璃,中間用有機粘接材料膠合,可用作噴氣殲擊機的風擋玻璃。在瓶罐制造中,特別是輕瓶生產中也采用了塑料玻璃復合瓶,在玻璃瓶外面加塑料套,增加了沖擊強度。以上提高強度的十九種方法,基本上是三個方面:1)選擇合適的玻璃成分;2)改進工藝制度;3)表面處理。通過這些途徑以達到制取高強度的、宏觀和微觀缺陷都很少的玻璃。通過改變成分來提高強度的數值是有限的,而且成分的大幅度變化,給生產工藝會帶來一系列的困難。在玻璃